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摘要
高超声速再入飞行器面临着严峻的气动热环境,准确预测微烧蚀过程对热防护系统的设计至关重要.由于烧蚀会改变气动外形,进而影响周围的气动热环境以及烧蚀过程本身,因此需要将烧蚀过程与流场变化进行耦合计算.文章采用基于直接模拟蒙特卡洛(DSMC)方法的开源程序SPARTA,对高超声速条件下的再入飞行器表面微烧蚀问题展开研究.为构建并测试通用的耦合算法,通过典型的一维烧蚀模型改进了SPARTA的动能烧蚀模型并采用烧蚀表面热平衡模型计算烧蚀速率,结合Marching Square算法的特点修改了网格节点的计算方法.针对柱体、球锥以及带有微小粗糙元的斜楔体等典型外形,文中计算了二维条件下不同气动外形的烧蚀过程并进行了详细分析.其中球锥截面烧蚀预测结果中沿驻点线的烧蚀面呈现出较快的衰退速率,并且与文献中驻点附近的结果吻合情况较好.斜楔体的烧蚀结果表明,微小粗糙元的附近存在着非常稀薄的流场区域,并且其与头部驻点区域会率先发生烧蚀,反映了再入飞行器表面的微烧蚀特征.烧蚀结果对高超声速下微烧蚀机理的研究以及热防护系统的设计具有参考意义.
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